DE69603602T2

DE69603602T2 - Kolbenmechanismus mit durchgang durch den kolben

Info

Publication number: DE69603602T2
Application number: DE69603602T
Authority: DE
Inventors: Marcel Teck
Original assignee: Atlas Copco Airpower NV
Current assignee: Atlas Copco Airpower NV
Priority date: 1995-06-20
Filing date: 1996-06-20
Publication date: 2000-03-02
Anticipated expiration: 2016-06-21
Also published as: US6120266A; BE1009433A3; DE69603602D1; HUP9900370A3; PL179337B1; PL324168A1; JP2987092B2; ES2137704T3; HUP9900370A2; CZ288349B6; EP0834014B1; EP0834014A1; DK0834014T3; ATE182959T1; HU219286B; CZ414097A3; JPH0914141A; WO1997001034A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolbenmechanismus mit einem Durchgang oder einer Führung durch den Kolben, wobei der Kolbenmechanismus einen Zylinder umfaßt, der an einem Ende mit einem verschließbaren Durchgang versehen ist und an dem anderen Ende an der Innenseite eines Kurbelgehäuses mündet; einen axial im Zylinder bewegbaren Kolben, der ebenfalls mit einem verschließbaren Durchgang oder einer Führung versehen ist und der in seinem Außenumfang eine Nut umfaßt, worin sich ein Kolbenring für die Abdichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinder befindet; und Mittel zum Bewegen des Kolbens im Zylinder, wobei diese Mittel eine im Kurbelgehäuse positionierte Kurbelwelle umfassen und eine Kurbel oder Kolbenstange, die einerseits mittels eines ersten Lagers schwenkbar mit dem Kolben verbunden ist und andererseits, mittels eines zweiten Lagers, schwenkbar mit der Kurbelwelle verbunden ist, wobei der Kolbenring mit einem Spiel in axialer Richtung in der Nut positioniert ist, der Durchgang durch den Kolben sich über diese Nut erstreckt und der Kolbenring ein Ventil zum Schließen und Öffnen dieses Durchgangs formt.
Ein solcher Kolbenmechanismus gestattet das Ansaugen gasförmigen Mediums durch den Kolben ohne ein zusätzliches Ventil im Kolben.
BE-A-378.946 beschreibt einen Kompressor mit einem Kolbenmechanismus des hier oben beschriebenen Typs. Der Durchgang im Kolben ertreckt sich jedoch nur teilweise darüber, nämlich von der Vorderseite bis zu einer Öffnung in der Seite, die sich, in der äußerst ausgedehnten Position, noch nicht an der Rückseite des Kolbens befindet. Folglich mündet dieser Durchgang nicht an der Rückseite des Kolbens.
Gasförmiges Medium wird durch an der Außenseite des Zylinders befindliche Kammern angesaugt und folglich nicht durch das mit Öl gefüllte Kurbelgehäuse. Dieses Öl dient zum Schmieren der Lager, mit denen die Kolbenstange mit der Kurbelwelle und dem Kolben verbunden ist. Hierbei wird das Erhitzen der Lager vermieden, jedoch werden in der erhaltenen Druckluft Spuren von Öl vorhanden sein, was für bestimmte Anwendungen nicht wünschenswert ist.
Das Vorhandensein von Kammern an der Außenseite des Zylinders und die Verwendung von Öl zum Schmieren vereinfachen die Konstruktion nicht.
Das durch den Durchgang angesaugte gasförmige Medium strömt entlang der Wand des Zylinders, die während des Betriebs relativ warm sein kann, was zum Erhitzen des Mediums führt, was die Effizienz des Kompressors nachteilig beeinflußt.
Die Erfindung bezweckt einen Kolbenmechanismus, der diese und andere Nachteile nicht aufweist und der nicht nur von relativ einfacher Konstruktion ist und eine sehr gute Effizienz aufweist, sondern der auch ohne Ölschmierung arbeiten kann und doch eine relativ lange Lebensdauer hat.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß besagter Durchgang durch den Kolben an der Rückseite des Kolbens an dem Lager mündet, mit welchem die Kolbenstange mit dem Kolben verbunden ist.
Das durch den Durchgang angesaugte Medium stammt von der Rückseite des Kolbens und befindet sich in geringem Umfang in Kontakt mit Teilen des Kolbenmechanismus, die während des Betriebs des Kolbenmechanismus erhitzt werden.
Ein Kolbenmechanismus, wobei der Kolben mit einem Durchgang versehen ist, der an der Rückseite des Kolbens mündet und wobei der Kolbenring in diesem Durchgang ein Ventil formt, ist aus CH-A-308.083 bekannt, jedoch ist dieser Kolbenmechanismus nicht von dem von der Erfindung betroffenen Typ, da der Kolben starr mit der Kolbenstange verbunden ist und ein Kurbelgehäuse nicht vorhanden ist. Ein derartiger Kurbelmechanismus weist daher das Problem der Erhitzung der Lager nicht auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kolben an seiner Rückseite mit einem Hohlraum versehen, in den der Durchgang mündet und worin das Lager, womit die Kolbenstange mit dem Kolben verbunden ist, sich befindet.
Somit erstreckt ein Teil des Durchgangs sich nach innen durch die Wand des Kolbens, wobei das durch erhitzte Teile verursachte mögliche Erhitzen des durch den Durchgang angesaugten Mediums beträchtlich reduziert wird.
In einer besondereren Ausführungsform der Erfindung bildet der Kolbenmechanismus einen Teil eines ölfreien Kompressors, und eine Druckluftleitung oder ein Druckluftbehälter sind mit dem Durchgang im Zylinder verbunden, wobei der Durchgang im Kolben während des Ansaughubs einen Einlaß formt und der Kolbenring ein Einlaßventil formt.
Vorzugsweise ist das Kurbelgehäuse mit einem Einlaß versehen, so daß das Medium, das durch den Durchgang durch den Kolben strömt, auch über dieses Kurbelgehäuse und über das darin befindliche Lager, mit dem die Kolbenstange an der Kurbelwelle befestigt ist, strömt.
Ein Problem der Erhitzung des Lagers besteht insbesondere im Fall ölfreier Kompressoren. In der vorangehenden Ausführungsform werden beide Lager durch das angesaugte gasförmige Medium gekühlt.
Mit der Absicht, die Merkmale der Erfindung besser darzustellen, ist hiernach, als Beispiel ohne jeden einschränkenden Charakter, eine bevorzugte Ausführungsform eines Kolbenmechanismus mit Durchgang durch den Kolben gemäß der Erfindung beschrieben, unter Verweis auf die begleitenden Zeichnungen, worin:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Kolbenmechanismus gemäß der Erfindung, in einem Kolbenkompressor montiert, ist;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Querschnitts gemäß Linie II-II in Fig. 1 ist, während des Ansaughubs des Kolbenmechanismus;
Fig. 3 den Querschnitt von Fig. 2 darstellt, jedoch während des Kompressionshubs.
Der in Fig. 1 dargestellte Kolbenmechanismus formt einen Teil eines ölfreien Kolbenkompressors, der mehrere solcher Kolbenmechanismen umfaßt, die hauptsächlich aus einem Kolben 1, der in einem Zylinder 2 axial bewegbar ist, und Mitteln 3 zum Bewegen des Kolbens 1 zusammengesetzt sind.
Diese Mittel 3 sind hauptsächlich zusammengesetzt aus einer Kurbelwelle 4, die sich in einem Kurbelgehäuse 5 befindet und von einem in den Figuren nicht dargestellten Motor angetrieben wird, und einer Kolbenstange 6, die schwenkbar mit dem Kolben 1 und der Kurbelwelle 4 verbunden ist.
Der Kolben 1 ist nahe seinem vorderen, in den Fig. 2 und 3, dem oberen, Ende, mit anderen Worten, dem zum geschlossenen Ende des Zylinders 2 gerichteten Ende, mit einer Umfangsnut 7 versehen, worin ein Kolbenring 8 angebracht ist, der elastisch an der Innenwand des Zylinders 2 anliegt.
Dieser Kolbenring 8 ist vom selbstschmierenden Typ und wird geformt durch einen flachen, unterbrochenen Ring, der nicht nur mit einem radialen, sondern auch einem axialen Spiel in der Nut 7 befestigt ist. Der Kolbenring könnte eventuell auch durch einen elastischen Ring geformt werden.
Dies impliziert, daß die Dicke des Kolbenrings 8 kleiner als die Breite der Nut 7 ist, während die Tiefe der Nut in radialer Richtung, etwas größer ist als die Breite des Kolbenrings.
Im geschlossenen Ende des Zylinders 2 ist ein Durchgang 9 angebracht, nämlich ein Auslaß, der, mittels eines Ventils 10, geschlossen werden kann und an dem eine Druckleitung 11 angeschlossen ist.
Das andere Ende des Zylinders mündet in dem oben beschriebenen Kurbelgehäuse 5, das allen Kolbenmechanismen des Kolbenkompressors gemeinsam ist.
Wie in den Fig. 2 und 3 detailliert dargestellt, ist im Kolben 1 ein Durchgang 12 angebracht, nämlich ein Einlaß für das zu komprimierende Medium, das aus dem Kurbelgehäuse 5 angesaugt wird. Dieser einen Einlaß formende Durchgang 12 erstreckt sich über die Nut 7 und ist zusammengesetzt aus dieser Nut 7, einer zusätzlichen Nut 13 über den Kolbenumfang an der Seite des Kurbelgehäuses 6 relativ zur Nut 1, einer Aussparung 14 über den Umfang des Kolbens 1, die die Nuten 7 und 13 verbindet und wo der Kolben 1 somit einen kleineren Außendurchmesser hat, einer Anzahl von Öffnungen 15, die sich zwischen der Nut 3 und der Rückseite, in Fig. 2 und 3 ist das die Unterseite, des Kolbens 1 erstrecken, und einer Anzahl von Öffnungen 16, die sich zwischen dieser Nut 7 und der Vorderseite des Kolbens 1 erstrecken.
Diese Öffnungen 15 und 16 befinden sich in einem Abstand zur Außenseite des Kolbens 1.
An besagter Rückseite ist der Kolben 1 mit einem Hohlraum 17 versehen, in den die Öffnungen 15 münden.
In diesem Hohlraum 17 befindet sich das Lager 18, womit ein Ende der Kurbel oder Kolbenstange 6 schwenkbar mit dem Kolben 1 und spezieller mit der im Hohlraum 17 montierten quergerichteten Welle 19 verbunden ist. Dieses Lager 18 ist beispielsweise ein Nadellager und ist beispielsweise mit Schmierfett geschmiert.
Das andere Ende der Kolbenstange 6 ist im Kurbelgehäuse 5 mittels eines zweiten Lagers 20 schwenkbar mit der Kurbelwelle 4 verbunden.
Dieses Lager 20 kann beispielsweise auch mit Schmierfett geschmiert sein.
Das Kurbelgehäuse 5 ist mit einem Einlaß 21 versehen. Dieses Kurbelgehäuse 5 ist nicht mit Öl gefüllt.
Der Kolbenmechanismus arbeitet wie folgt.
Durch die Bewegung der Kurbelwelle 4 führt der Kolben 1 anschließend einen Ansaughub aus, dies ist eine Bewegung in Richtung des Kurbelgehäuses 5, und einen Kompressionshub in die andere Richtung.
Das einen Auslaß formende Ventil 10 im Durchgang 9 wird, in Synchronisation mit dieser Bewegung, auf eine dem Fachmann bekannte und nicht weiter beschriebene Weise geöffnet und geschlossen, derart, daß das Ventil 10 während der Kompression zeitweilig offen ist und komprimiertes Medium den Zylinder 2 durch den Durchgang 9 verläßt, das Ventil 10 jedoch während des Ansaugens geschlossen ist.
Das Ventil 10 kann mechanisch gesteuert sein, kann jedoch beispielsweise auch ein Rückschlagventil sein, das sich automatisch auf geeignete Weise öffnet und schließt.
In Fig. 1 ist der Kolben 1 in seinem obersten Totpunkt dargestellt, zwischen dem Ansaughub und dem Kompressionshub.
Während des Ansaughubs ist der Druck an der Vorderseite des Kolbens 1 in einem bestimmten Augenblick gleich dem Druck an der Rückseite, dies ist der Druck im Kurbelgehäuse 5.
Sobald dieses Gleichgewicht erreicht ist, wird dieser Kolbenring 8, aufgrund der Reibung des Kolbenrings 8 gegen die Innenwand des Zylinders 2, in Bezug auf den bewegenden Kolben zurückbleiben und die in Fig. 2 gezeigte Stelle einnehmen, wobei die Öffnungen 16 mittels der Nut 7 und die Aussparung 14 in einer offenen Verbindung mit der Nut 13 stehen und weiter mittels der Öffnungen 15 mit dem Hohlraum 17 des Kolbens 1 in Verbindung stehen.
Gasförmiges Medium, beispielsweise Luft, kann durch den so geformten Durchgang 12 oder Einlaß in den Teil des Zylinders an der Vorderseite des Kolbens 1 strömen.
Es ist deutlich, daß dieses Medium durch den Einlaß 21 über das Kurbelgehäuse 4 und durch den darin mündenden Teil des Zylinders 2, den Hohlraum 17 und den Durchgang 12 angesaugt wird, was bedeutet, daß dieses Medium über das Lager 20 im Kurbelgehäuse 5 und über das Lager 18 im Kolben 1 strömt.
Diese Lager 18 und 20 und das für deren Schmierung verwendete Schmierfett werden gekühlt.
Das Kurbelgehäuse 5 wird auch von diesem Medium gekühlt.
Der Durchgang 12 selbst ist ziemlich kurz und umfaßt zudem große Teile, nämlich die Öffnungen 15 und 16, die nicht in direktem Kontakt mit den heißen Teilen des Kolbenmechanismus, insbesondere des Zylinders 2, stehen.
Folglich wird das durch den Durchgang 12 angesaugte Medium praktisch nicht erhitzt, wobei ein sehr guter Füllgrad und eine sehr hohe Effizienz erhalten werden.
Wenn der Kolben 1 sich nach seinem unteren Totpunkt in die entgegengesetzte Richtung bewegt, wird, aufgrund der Reibung des Kolbenrings 8 gegen die Innenwand des Zylinders 2, dieser Kolbenring dazu neigen, zurückzubleiben. Dies geschieht auch, sobald der Druck an der Vorderseite des Kolbens 1 gleich dem Druck an der Rückseite ist.
Vorangehend dem an der Vorderseite des Kolbens 1 auftretenden höheren Druck, im Vergleich zur Rückseite des Kolbens 1, schließt der Kolbenring 8 folglich die Aussparung 14 auf solche Weise ab, daß die Verbindung zwischen der Nut 7 und der Nut 13 unterbrochen wird und der Durchgang 12 somit geschlossen wird, wie in Fig. 3 dargestellt.
Es ist deutlich, daß durch die Reibung des Kolbenrings 8 gegen den Zylinder das Schließen während des Kompressionshubs und das Öffnen während des Ansaughubs beschleunigt werden, so daß die Kompression, beziehungsweise das Ansaugen, rascher beginnt, was zu einer verbesserten Wirkung des Kolbenprinzips führt.
Für dieselbe komprimierte Durchflußmenge geht hierbei weniger Leistung verloren und wird eine bessere Kompressionseffizienz erzielt.
Die Erfindung ist keineswegs auf die oben beschriebene und in den Figuren dargestellte Ausführungsform beschränkt, vielmehr kann ein derartiger Kolbenmechanismus in verschiedenen Varianten verwirklicht werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Insbesondere müssen die Lager nicht notwendigerweise Nadellager oder ähnliches sein. Sie können auch Gleitlager sein, wobei Teile der Kolbenstange die entsprechende Welle umgeben, mit nur einem Schmiermittel dazwischen.

Claims

1. - Kolbenmechanismus mit einem Durchgang durch den Kolben (1), wobei der Kolbenmechanismus einen Zylinder (2) umfaßt, der an einem Ende mit einem verschließbaren Durchgang (9) versehen ist und an dem anderen Ende an der Innenseite eines Kurbelgehäuses (5) mündet; einen axial im Zylinder (2) bewegbaren Kolben (1), der ebenfalls mit einem verschließbaren Durchgang (12) versehen ist und der in seinem Außenumfang eine Nut (7) umfaßt, worin sich ein Kolbenring (8) für die Abdichtung zwischen dem Kolben (1) und dem Zylinder (2) befindet; und Mittel (3) zum Bewegen des Kolbens (1) im Zylinder (2), wobei diese Mittel (3) eine in einem Kurbelgehäuse (5) montierte Kurbelwelle (4) umfassen und eine Kolbenstange (6), die einerseits mittels eines ersten Lagers (18) schwenkbar mit dem Kolben (1) verbunden ist und andererseits, mittels eines zweiten Lagers (20), schwenkbar mit der Kurbelwelle (4) verbunden ist, wobei der Kolbenring (8) mit einem bestimmten axialen Spiel in der Nut (7) montiert ist, der Durchgang (12) durch den Kolben (1) sich über diese Nut (7) erstreckt und der Kolbenring (8) ein Ventil zum Schließen und Öffnen dieses Durchgangs (12) formt, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgenannte Durchgang (12) durch den Kolben (1) an der Rückseite des Kolbens (1) am Lager (18), womit die Kolbenstange (6) mit dem Kolben (1) verbunden ist, mündet.

2. - Kolbenmechanismus gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1) an seiner Rückseite einen Hohlraum (17) umfaßt, in den der Durchgang (12) im Kolben (1) mündet, und worin das Lager (18) sich befindet.

3. - Kolbenmechanismus gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er für Kompressoren bestimmt ist und daß eine Druckluftleitung (11) oder ein Druckluftbehälter mit der Leitung (9) im Zylinder (2) verbunden ist, während der Durchgang (12) im Kolben (1) während des Ansaughubs einen Einlaß formt und der Kolbenring (8) ein Einlaßventil formt.

4. - Kolbenmechanismus gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurbelgehäuse (5) derart mit einem Einlaß (21) versehen ist, daß das Medium, das durch den Durchgang (12) durch den Kolben (1) strömt, auch über das Kurbelgehäuse (4) und über das darin befindliche Lager (20), womit die Kolbenstange (6) mit der Kurbelwelle (4) verbunden ist, strömt.

5. - Kolbenmechanismus gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (12) durch den Kolben (1) zumindest eine Öffnung (15) umfaßt, die an der Rückseite des Kolbens (1) mündet, und zumindest eine Öffnung (16), die sich zwischen der Nut (7) und der Vorderseite des Kolbens (1) erstreckt und zumindest teilweise an der Nut (7) nahe dem Kolbenring (8) mündet, wobei diese Öffnungen (15 und 16) sich in einem Abstand zur Außenseite des Kolbens (1) befinden.

6. - Kolbenmechanismus gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (12) durch den Kolben (1) eine zusätzliche Nut (13) über den Umfang des Kolbens (1) und eine Aussparung (14) umfaßt, die von einem geringeren Außendurchmesser des Kolbens (1) geformt wird und die Nut (13) mit der Nut (7) verbindet, während die Öffnung (15), die an der Rückseite des Kolbens (1) mündet, an dieser zusätzlichen Nut (13) anschließt.